Quelles sont les innovations technologiques mises en œuvre par la fibre optique vis-à-vis des autres supports?

Transcription

1 Page 1 sur 26

2 I - Présentation de la fibre optique a) Historique Pages 3-4 b) Fonctionnement Page 5 c) Fabrication Page 6 d) Différentes fibres Pages Multimode a. A saut d indice b. A gradient d indice 1. Monomode e) Quelques questions Page 7 f) Exemples d utilisation Page 7-8 II. Technologie : Matériel d émission et réception a) Principe Pages 9-10 b) Fonction émission Pages c) Fonction réception Pages 12 d) Fonction amplification Page 13 III. Augmentation du rendement de transmission : Multiplexage a) Multiplexage spatial ou en fibres optiques Page 14 b) Multiplexage TDM ou multiplexage temporel Pages c) Multiplexage WDM ou multiplexage en longueur d onde Pages d) Multiplexage Fréquentiel FDM Page 18 e) Correction d erreurs Pages IV. La fibre optique face aux autres supports a) Les atouts de la fibre optique Page 21 b) Ses inconvénients Pages c) Différentes fibres optiques Page 22 d) Face à face avec les autres technologies Pages Annexes 1) Fabrication de la fibre Page 25 2) Bibliographie Page 26 Page 2 sur 26

3 I. Présentation de la fibre optique Une nouvelle technique de transmission des informations par câbles s est imposée ces dernières années. A la différence des conducteurs classiques en cuivre, cette nouvelle technique transmet des signaux au moyen de fibres optiques. Pour être bref, c est un fil de verre, entouré d une gaine réfléchissante. Sa propriété principale est de servir de «tuyau» dans lequel on peut faire circuler de la lumière. Cette évolution a été favorisée par l apparition de semi-conducteurs appropriés : diodes laser, diodes électroluminescentes ou photodiodes. Simultanément, les systèmes de transmissions numériques existants ont été adaptés aux exigences de cette nouvelle technique. a) Historique Depuis l antiquité, on a utilisé la lumière pour transmettre des informations. C était, en particulier le cas des grands feux allumés en guise de signaux. Aujourd hui encore, on peut trouver ce type de transmission d informations sous de multiples formes. Par exemple les phares, les feux tricolores de la circulation ou encore les lampes d un quelconque panneau de contrôle. Voici maintenant l historique de la transmission d informations grâce à la lumière de 1790 à nos jours : En France, Claude Chappe construit un système de télégraphe optique composé d une chaîne de tours munis de bras de sémaphores mobiles. Ce système permettait de transmettre des informations à plus de 200 km en moins de 15 minutes et fut abandonné lors de l apparition du télégraphe électrique. Télégraphe optique de Chappe 1793 Code de signaux optiques sémaphore (chaque position des bras articulés représente une lettre ou un chiffre), nécessitant une visibilité point à point. Chaque point est émetteur et récepteur. Un opérateur traduit le code Page 3 sur 26

4 - En 1880, l américain Alexander Graham Bell développe «le photophone» grâce auquel on peut transmettre des signaux vocaux à l aide de la lumière. Cette idée ne trouva pas d application parce que les influences climatiques et la visibilité réduisaient la qualité de la transmission - En 1870, John Tyndall, un physicien Anglais, suggère une solution en démontrant que la lumière peut être guidée par un jet d eau. Cette expérience se basait sur «le principe de la réflexion totale» utilisé actuellement par les fibres optiques. - En 1934, Norman R. French dépose un brevet où réapparaît l idée d un téléphone optique. Dans ce brevet, French décrit de quelle manière les signaux vocaux se transmettent par un réseau de câbles optiques. Il spécifie que les câbles devront être formés par des tiges de verre ou de matière comparables, ayant un affaiblissement linéique bas à la longueur d onde de fonctionnement correspondante. - En 1962, la possibilité de fabriquer des lasers à l aide de matériaux semi-conducteurs est reconnue. Parallèlement, on développe les éléments de réception : diodes semi-conductrices. Il suffisait, alors, de trouver un milieu adéquat de transmission capable de réunir émetteurs et récepteurs. - En 1966, Charles K. et Georges A. Hockham suggère d utiliser la fibre en verre pour guider des ondes. Cependant, pour pouvoir installer un système de transmission optique raisonnable du point de vue de la distance, ces fibres auraient dû avoir des affaiblissements maximaux de 20 db/km, or, à l époque, leur affaiblissement étaient beaucoup plus important (environ 1800 db/km). En médecine on utilisait déjà dans les années cinquante les fibres de verre pour la transmission d images vidéo sur de très courtes distances. - En 1970, la firme Corning Glass Works, fabrique aux Etats-Unis des fibres optiques à saut d indice et obtient des affaiblissements inférieurs à 20 db/km pour une longueur d onde de 633 nm. - En 1972, on atteint 4 db/km pour des fibres optiques à gradient d indice. - Aujourd hui, la technique en cours permet d obtenir des affaiblissements de 0.4 db/km pour une longueur d onde de 1300 nm. Simultanément, on améliore la puissance, la sensibilité et la durée de vie des éléments émetteurs et récepteurs. Ainsi, grâce aux techniques développées pour les câbles, les connexions et les épissures de fibres optiques, on a pu introduire avantageusement ce nouveau moyen de transmission. - Depuis 1976, Siemens utilise, a Munich, une liaison expérimentale de 2.1 km pour les transmissions téléphoniques, de TV et de vidéophones. En 1977, Siemens installe à Berlin la première liaison à fibres optiques pour l administration des postes de la RFA. - Depuis 1978, le CERN, à Genève, utilise un câble à fibres optiques résistant au rayonnement. A partir de cette époque, commence l utilisation mondiale de cette nouvelle technologie. Les installations dont nous venons de parler utilisaient encore des fibres multi modes. Actuellement, plus d un million de kilomètre de fibres optiques, utilisant la technologie Siemens, ont été installées dans 24 pays. Dans le futur, on installera principalement des fibres optiques mono modes. Page 4 sur 26

5 b) Fonctionnement Lorsqu'un faisceau lumineux heurte obliquement la surface qui sépare deux milieux plus ou moins transparents, il se divise en deux : une partie est réfléchie tandis que l'autre est réfractée, c'est à dire transmise dans le second milieu en changeant de direction. L'indice de réfraction est une grandeur caractéristique des propriétés optiques d'un matériau. Il est obtenu en divisant la vitesse de la lumière dans le vide (Cv= Km/s) par la vitesse de cette même onde dans le matériau. Plus l'indice est grand, et plus la lumière est lente. Ainsi, dans l'air, la vitesse de la lumière est à peu près égale à Cv ; dans l'eau, elle est égale à 75% de Cv; dans le verre, elle est égale à environ 55% ou 60% de Cv selon le type de verre. C'est ce principe qui est utilisé pour guider la lumière dans la fibre. La fibre optique comprend ainsi deux milieux : le cœur, dans lequel l'énergie lumineuse se trouve confinée, grâce à un second milieu, la gaine, dont l'indice de réfraction est plus faible. Les recherches menées dans les années 1970 ont conclu que la silice était un bon support pour des longueurs d'onde prises dans le proche infrarouge (850 nm nm nm). La fabrication en série de lasers à semi-conducteurs dans ces longueurs d'onde est venue par la suite confirmer ce choix. Rappelons qu'un laser (Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation) ou amplification de la lumière par émission de radiation stimulée, est un dispositif qui amplifie la lumière et la rassemble en un étroit faisceau, dit cohérent, où ondes et photons associés se propagent en phase, au lieu d'être arbitrairement distribués. Cette propriété rend la lumière laser extrêmement directionnelle. Techniquement le laser combine trois phénomènes d'optique fondamentale : le pompage optique, l'émission stimulée de lumière et la résonance optique. Page 5 sur 26

6 c) Fabrication La fibre optique est constituée en grande partie de silice. La silice est un composé oxygéné du silicium, de formule SiO2. Cette silice est assez courante dans l'environnement comme dans le quartz, ou l'opale. La formation d'une fibre optique passe par la réalisation d'une préforme cylindrique en barreau de silice. La première étape consiste en l'assemblage d'un tube et d'une barre de verre cylindrique montée concentriquement. On chauffe le tout dans un four pour assurer l'homogénéité du barreau de verre. La seconde étape consiste à installer le barreau obtenu verticalement dans une tour en verre qui est chauffé par des rampes à gaz. Le verre et la silice vont ensuite s'étirer pour former la fibre qui est ensuite enroulée sur une bobine. (voir les schémas en annexe 1) La composition précise d'une fibre est : - Le cœur : Cette partie de la fibre, est composée de silice d'une grande pureté qui nécessite un minimum d ions hydroxyles HO -. Le cœur est éventuellement dopé (au germanium Ge ou au phosphore P) ce qui lui donne un indice de réfraction supérieur à celui de la gaine empêchant le rayon lumineux de sortir de celui-ci. Schéma simplifié de la fabrication de la fibre optique - La gaine : Elle est également composée de silice mais de moins bonne qualité puisqu'elle n'est pas destinée à "transmettre" le rayon lumineux, on la dope également (au bore B ou au fluor F) pour lui donner un indice inférieur à celui du cœur pour que le rayon se réfléchisse sur elle. d) Différents types de fibre 1. Les fibres multimode a. La fibre à saut d'indice : C'est la plus "ordinaire". Le cœur a un relatif gros diamètre, par rapport à la longueur d'onde de la lumière (de l'ordre du µm dans l'infrarouge). Tous les inconvénients vus plus haut se manifestent ici. Observez l'allure de l'impulsion de sortie, comparée à celle de l'impulsion d'entrée. Ce sont bien entendu des informations non quantitatives. b. La fibre à gradient d indice Page 6 sur 26

7 Ici, deux améliorations sont apportées: Le diamètre du cœur est de deux à quatre fois plus petit. Le cœur est constitué de couches successives, à indice de réfraction de plus en plus grand. Ainsi, un rayon lumineux qui ne suit pas l'axe central de la fibre est ramené "en douceur" dans le droit chemin. Comme on peut l'observer, les résultats sont déjà de meilleure qualité. 2. La fibre monomode C'est le "top". Le diamètre du cœur est très petit, les angles d'incidence le sont donc aussi. Les résultats sont excellents, mais, compte tenu de la faible section de cette fibre, seul la lumière laser est ici exploitable. Il n'y a pas de miracle, c'est la solution la meilleure, mais aussi la plus onéreuse. e) Quelques interrogations sur la fibre optique La fibre optique coûte-t-elle cher? Non. Par rapport au câble en cuivre, elle aurait même tendance à coûter moins cher. En revanche, la connectique et les convertisseurs d'énergie électrique/lumineuse et réciproquement à placer aux extrémités coûtent cher, très cher même, suivant les technologies misent en oeuvre. Quels sont les principaux avantages de la fibre optique? La fibre optique est totalement insensible aux rayonnements électromagnétiques dans lesquels nous baignons. L'atténuation du signal est inférieure à celle d'un conducteur électrique et les distances couvertes, sans nécessité d'installer des amplificateurs, sont bien plus grandes. f) Exemples d utilisation Destiné en premier lieu à desservir l'administration cantonale vaudoise, un câble de fibres optiques a été posé dans le lac Léman, entre Villeneuve et Nyon. Pour rentabiliser cet investissement, il a été prolongé jusqu'à Genève (Vengeron) pour pouvoir desservir d'autres partenaires : Etat de Genève, Swiss Control, CFF et Gaznat. Depuis le Vengeron, ce câble suivra l'autoroute jusqu'à l'aéroport, (CFF et Swiss Control) puis, en empruntant les galeries des SIG, arrivera jusqu'au CETI (Rue du Stand). Depuis ce point, on pourra relier l'université et L'Hôpital Cantonal. Les liaisons Uni Genève-Uni Lausanne, Etat de Genève- Etat de Vaud et HCUG-CHUV seront alors possibles à haute vitesse, pour les données et la téléphonie. Page 7 sur 26

8 Fibre optique Valenciennes - Mons Le projet de la mise en place de cette infrastructure en fibre optique est issu d'un projet commun entre plusieurs partenaires français et belges: du coté français: Communauté de Communes de la Vallée de l'escaut, l'université de Valenciennes, le Réseau Câblé du Hainaut, la Chambre de Commerce et d'industrie. du coté belge: le Pôle universitaire de Mons (Faculté Polytechnique de Mons, Université de Mons Hainaut, Faculté Universitaire Catholique de Mons), l'intercommunal de Développement Economique et d'aménagement. La fibre optique constitue un support de communication privé et a nécessité des autorisations du C.S.A et de la D.G.P.T, et des conventions de passage sur les communes. La fibre optique est constituée de 20 brins monomodes et s'étend entre la France et la Belgique sur une distance de 65 kilomètres environ. Chaque partenaire dispose de plusieurs brins "nus" et se charge du service réseau (ATM pour les universités, vidéo pour les réseaux câblés...). Page 8 sur 26

9 II. Technologie : Matériel d émission et réception Avant tout la fibre optique transmet un signal : Il est possible de faire passer un signal au moyen de deux techniques de transmission sur fibre optique : l un analogique, l autre numérique. La technique numérique s est vite imposée, car elle permet le libre échange de hauts débits numériques à partir de sources très diversifiées, telles que le téléphone ou le Web (données). En revanche la technique analogique n est pas vraiment utilisée excepté dans quelques cas précis. Les fonctions principales de la technique des transmissions numériques sont la numérisation de signaux analogiques, le multiplexage de ces signaux en débit standardisé. L introduction de cette technique, particulièrement par le multiplexage a rendu possible l intégration de certains services, comme le téléphone, le télétex, la transmission de données et la télécopie. a) Principe côté émission, un signal électrique module l intensité d une source lumineuse. Les émetteurs utilisés sont de trois types: Les LED Light Emitting Diode qui fonctionnent dans le rouge visible (850 nm). C'est ce qui est utilisé pour le standard Ethernet FOIRL. Les diodes à infrarouge qui émettent dans l'invisible à 1300 nm Les lasers, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d'onde est 1300 ou 1550 nm côté réception, un photo-détecteur qui convertit un signal optique en un signal électrique Entre les deux, une fibre optique qui peut nécessiter des épissures et éventuellement des amplificateurs (en fonction de la longueur de la liaison et du type de fibre, de la technologie ). Ces dispositifs sont miniaturisés. L illustration cicontre nous permet de nous rendre compte de la taille L'allumette donne l'échelle. Page 9 sur 26

10 Ci-dessous un exemple de communication optique : Les possibilités immenses de la fibre optique comme support de transmission vont susciter une demande croissante de nouveaux systèmes de communication. Quelque soit l application, ces système utiliseront des composants optoélectroniques sophistiqués qui en seront le cœur et dont dépendront la plupart des performances en transmission. Certaines des applications, notamment les liaisons numériques à longue distance et les réseaux de distribution TV, couvrent un vaste domaine où l utilisation de composants de pointe est nécessaire. Dans d autre cas, en particulier pour les systèmes sur courte distance, les architectures d accès comme les réseaux locaux d entreprise ou encore la communication à large bande, c est le facteur coût qui apparaît déterminant. Dans la plupart de ces applications le coût global du système est principalement dû aux composants optoélectroniques. En dépit de ces considérations économiques la complexité de ces composants augmente rapidement. b) Fonction émission Prenons un exemple de module émetteur : Cas simple d une liaison entre une imprimante et un PC, où les informations transmises sont communiquées par fibre optique. Le signal de sortie sur le port série de l'ordinateur est un signal carré alternatif. Il est transformé en un signal qui commande un transistor qui joue le rôle d'interrupteur. La fibre optique est connectée à une LED. Quand l'interrupteur est ouvert, la LED n'émet pas ; lorsqu'il est fermé, elle émet. Principe de fonctionnement du module émetteur : L émission par fibre optique est due à une source lumineuse pour cela trois systèmes sont utilisés : Les LED (Light Emitting Diode), elles fonctionnent dans le rouge visible, c est à dire sur une longueur d onde de 850 nm. C est le standard Ethernet utilisé. Les diodes à infrarouge qui émettent dans l invisible à 1300 nm. Les lasers semi-conducteurs, utilisés pour la fibre monomode, dont la longueur d onde est de 1300 à 1550 nm Page 10 sur 26

11 L'affaiblissement de la lumière dans la fibre est fonction de la longueur d'onde de la source. Elle est constante pour toutes les fréquences du signal transmis. Le graphique ci-dessous montre que l'affaiblissement est plus important dans le domaine du rouge (850 nm) que dans l'infrarouge ( nm). Donc la solution retenue pour les transmissions longues distances est la diode laser, en revanche sur courte distance on préférera utiliser les LED ou encore les diodes infrarouges (moins coûteux). Comment créé-t-on un signal sur un laser? C est ce que l on appelle la modulation. Dans les lasers à semi-conducteur elle est appelée modulation directe car elle s'effectue en agissant sur le courant qui traverse la diode laser. Comme la puissance de sortie d'un laser à semi-conducteur varie avec le courant injecté. On peut obtenir une modulation très simple. Courbe caractéristique d une modulation laser : Notion de semi-conducteur : Un semi conducteur est un matériau solide ou liquide, qui conduit l électricité à température ambiante, mais moins aisément qu un métal conducteur. La conductivité électrique désigne la capacité d un corps à conduire un courant électrique lorsqu une tension lui est appliquée. C est l une des propriétés physiques qui varie le plus d un corps à l autre. Des métaux, tels que le cuivre, l argent et Page 11 sur 26

12 l aluminium, sont d excellents conducteurs. A très basses températures, ou en présence d impuretés ou de lumière, la conductivité des semi-conducteurs s accroît fortement, pouvant même devenir comparable à celle des métaux. Les propriétés physiques des semi-conducteurs sont étudiées à l état solide. c) Fonction réception Gardons notre exemple de départ : revenons à notre liaison entre l imprimante et l ordinateur du côté réception. Lorsque la LED du module émet, la photodiode réceptrice offre une tension. Lorsque la LED émettrice est éteinte, la photodiode réceptrice offre une autre tension. La tension de la photodiode attaque un transistor qui joue également le rôle d'interrupteur et on recueille le signal carré alternatif à la sortie qui part vers l imprimante. Principe de fonctionnement du module émetteur : La réception est faite grâce à un ensemble constitué d'une photodiode, de son circuit de polarisation et d'un amplificateur électronique. Cet ensemble représente un composant optique de réception qui délivre une tension de signal proportionnelle à la puissance optique reçue. Le signal reçu étant souvent très faible il est nécessaire d'amplifier le photo courant c'est pourquoi on utilise une photodiode à avalanche. Du point de vue du signal (et des pertes), le récepteur peut se modéliser comme sur la figure ci-dessous Notion de bruit : On nomme bruit, l ensemble des informations sans intérêt qui viennent s ajouter à l information à transmettre (le signal). Le rapport signal/bruit permet de mesurer la qualité d un système de communication, la compréhension finale d un message étant d autant meilleure que ce rapport est élevé. Principe de la photodiode et du phototransistor : On utilise soit une photodiode, qui module le courant en fonction de l information reçue, soit un phototransistor. Il faut obligatoirement associer un préamplificateur à la photodiode, alors que pour le transistor, le "photo courant" est amplifié par le gain en courant. Page 12 sur 26

13 Une photodiode : Différentes couches de semi-conducteur composant la photodiode Un phototransistor : Différentes couches de semi-conducteur composant la phototransistor Arrivée du signal optique d) Les amplificateurs ou «répéteurs» Dans les réseaux de communication à longue distance le signal peut nécessiter d être régénéré au moyen d un répéteur (appelé aussi amplificateur). Pour compenser toutes ces pertes, par exemple dans les liaisons à travers l Atlantique il faut en placer tous les 150 km. Cette distance varie suivant le type de fibre utilisé. Ces amplificateurs peuvent être utilisés de plusieurs façons : - comme post-amplificateurs, juste derrière le laser - comme répéteurs de ligne - comme préamplificateurs juste devant le détecteur On les nomme dans le langage technique des AOFD, des amplificateurs optiques à fibre dopée Erbium. Il sont constitués de différents composants optoélectroniques que voici : pompe laser, multiplexeur en longueur d onde, fibre dopée erbium (un semi-conducteur) et un isolateur. Page 13 sur 26

14 III. Augmentation du rendement de transmission : Multiplexage La transmission sur fibre optique se fait comme nous l avons expliqué précédemment à l aide d un émetteur qui se charge de convertir les signaux électriques en signaux optiques, pour ensuite les transmettre par le biais d une fibre optique à un matériel récepteur qui réalisera ensuite l opération inverse. Cette technique permet donc de transmettre un signal à une vitesse dont la limite est donnée par le temps de propagation du signal lumineux (négligeable) et les temps de réponse de la partie émettrice, puis la partie réceptrice. Il apparaît ici différentes limites. Tout d abord dans le cas d un signal à transmettre relativement lent, une bonne partie de la «bande passante» fournie par la fibre optique est inutilisée : il en résulte des pertes en termes de rendement. D autre part, ces limites physiques de réaction des composants électroniques empêchent d utiliser pleinement les capacités de transmission qui sont très importantes puisque le «moyen de transport» de l information a une vitesse qui est celle de la lumière. Face à cela il est apparu la nécessité de trouver des techniques permettant d outrepasser ces deux types de problèmes et d augmenter le rendement effectif de la fibre. On utilise pour cela la technologie du multiplexage. Il existe à ce jour quatre «types» de multiplexage ou quatre moyens différents de transmettre plus d informations sur un même support. Ces techniques qui sont d ailleurs combinatoires (on peut superposer différents types de multiplexage pour obtenir un débit encore plus important) utilisent chacune une caractéristique différente, soit : l espace, le temps, les longueurs d ondes et les fréquences. Après avoir déterminé ces quatre méthodes, nous verrons aussi par quels moyens on détecte les erreurs de transmission des différentes données. a) Multiplexage spatial ou en fibres optiques Ce type de multiplexage est le plus aisé à comprendre et aussi le plus simple dans sa mise en œuvre. Il repose sur un principe basique : la multiplication du nombre de fibres optiques multiplie le débit disponible. Un tel système permet donc simplement de multiplier le débit. Il présente l avantage d une mise en œuvre assez rapide et sans difficultés (pour les réseaux locaux). Mais cela présente aussi de nombreux inconvénients. Tout d abord le coût : cela nécessite un investissement dans de nouveaux terminaux d émission et de réception ainsi que l installation de nouveaux réseaux fibrés. Cela peut être relativement onéreux, surtout sur des distances assez grandes (puisque qu il y a dans ce cas aussi besoin de répéteurs, ce qui vient encore augmenter considérablement le coût). Cette technique peut donc se mettre simplement en place sur des réseaux tant qu ils restent à l échelle locale. Néanmoins dès que les distances deviennent plus grandes l opération devient chère (pose de nouvelles fibres, modification de l architecture en place). Il apparaît que de nouvelles techniques sont donc nécessaires pour satisfaire les besoins des réseaux relativement développés et qui prennent place sur de longues distances pour des raisons de rentabilité. On va chercher à obtenir des performances accrues, mais en utilisant l architecture disponible : sans toucher au voies de transport de l information. Cela se réalisera grâce aux techniques que nous allons aborder par la suite. Page 14 sur 26

15 b) Multiplexage TDM ou multiplexage temporel Le multiplexage TDM (Time Division Multiplexing) ou multiplexage temporel trouve principalement des applications dans le domaine de la téléphonie. Il s agit à partir de nombreux signaux lents (dans le cas, du téléphone, un grand nombre de lignes transmettant des informations à la vitesse de 64 kilobits par seconde) de créer un deuxième signal beaucoup plus rapide (de l ordre du mégabit par seconde, voir du gigabit dans des cas extrêmes) qui contiendra les informations de tous les canaux lents qui auront été multiplexés. Concrètement que se passe-t-il? Dans ce cas on peut voir le multiplexeur comme un commutateur avec un grand nombre de positions qui attribue tour à tour durant une très courte durée l intégralité de la bande passante à un canal basse vitesse. Le schéma ci-dessous (doc.iii.b.1) explique simplement cette méthode : à un temps t=0, la canal haute vitesse commute sur la voie 1, S4 prend la valeur de S1, puis à un second temps, t=t1/4, le multiplexeur commute l entrée, S4 prend la valeur de S2, puis à un temps t=½ T1, on commute encore une fois pour obtenir S4=S3, et ainsi de suite, pour autant de canaux basse vitesse que nécessaire. Pour finir, il existe une durée spéciale : t=¾ T1 à T1 qui est réservée à la vérification des données, elle sert à transmettre différentes informations sur les signaux S1, S2, S3 afin de vérifier l intégrité des données transmises. Nous aborderons cela plus en détail dans la partie vérification des données. Une fois la période T1 écoulée, le signal S4 est synchronisé à nouveau sur le signal S1 et l on recommence de même au cours d une nouvelle période T2 1 0 Temps Signal S1 Sur voie lente 1 64 kilobits seconde 1 0 Temps Signal S2 Sur voie lente 2 64 kilobits seconde 1 0 Temps Signal S3 Sur voie lente 3 64 kilobits seconde 1 0 Periode T1 Periode T2 Temps Signal multiplexé S4 sur voie kilobits seconde Bits multiplexés Bits de correction d erreurs Doc.III.b.1 Multiplexage Temporel Chronogrammes explicatifs TeM, 2004 Ce multiplexage possède donc une efficacité qui est fonction de la vitesse des signaux à transmettre. Ainsi, plus le signal sur les voies à multiplexer sera lent, plus on pourra transmettre de signaux sur une seule voie haute vitesse en fibre optique. A l inverse plus le signal à multiplexer sera rapide moins cette technique sera performante. Il est principalement utilisé par les opérateurs de télécommunications pour regrouper un grand nombre de conversations téléphoniques à bas débit (64kbit/s seconde) sur une seule voie à haut débit. En Europe ces voies sont normalisées, elles regroupent 30 voies analogiques pour un débit final de 2,048 Mbit/s, on appelle ces canaux de transmission des lignes E1. Aux états unis, on multiplexe 24 voies seulement pour un débit de sortie de 1,544Mbits/s soir une ligne T1. Page 15 sur 26

16 En outre, le multiplexage temporel possède un avantage non négligeable : des signaux traités et regroupés sur une fibre, peuvent être multiplexés une nouvelle fois pour obtenir un signal encore plus rapide et regroupant ainsi de très nombreuses voies. Il existe donc des canaux T2, T3, T4 et E2, E3, E4 générés à partir de nombreux canaux T1 ou E1. La vitesse de transmission est ainsi rapidement exponentielle (voir doc.iii.b.2) et peut atteindre des centaines de mégabits par seconde. Voie Equivalent (lignes E1) Equivalent (lignes analogiques) Analogique N/A 1 E1 1 (4^0) 30 E2 4 (4^1) 120 E3 16 (4^2) 480 E4 64 (4^3) 1920 Doc.III.b.2 Multiplexage Temporel Lignes européennes TeM, 2004 Cet «emboîtement» de multiplexeur est appelé hiérarchie PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) (voir doc.iii.b.3) 30*64 Kbit/s Multiplexeur 1 : 30 Voies ANA Ligne E1 à 2,048 Mbits/s 1 voie Mbit/s 4*8.448 Mbit/s Multiplexeur 3 : 4 Voies E2 Ligne E3 à 34,368 Mbits/s 1 voie 34,368 Mbit/s Multiplexeur 2 : 4 Voies E1 4*2.048 Mbit/s Ligne E2 à 8,448 Mbits/s 1 voie 8,448 Mbit/s Multiplexeur 3 : 4 Voies E3 1 voie 139,264 Mbit/s Doc.III.b.3 Multiplexage Temporel Hiérarchie PDH TeM, * Mbit/s Ligne E4 à Mbits/s Il ressort de cette manière de procéder différents avantages et inconvénients. Les avantages tout d abord. Il s agit d une technique qui permet simplement de regrouper un grand nombre de voies sur une seule et donc de limiter les pertes de bande passante sur la fibre, en outre, le multiplexage temporel est indépendant du type de support, il peut-être utilisé aussi bien sur des lignes analogiques (paires torsadés, câble coaxial) que sur des lignes numériques (fibre optique). Mais il subsiste un inconvénient majeur. Imaginons que nous voulions lire un seul des signaux Sx sur une voie E4. La lecture de ce signal en particulier nécessitera auparavant le démultiplexage de tous les autres signaux. On aura donc besoin dans cet exemple d isoler chacun des 1920 signaux multiplexés avant de pouvoir utiliser le signal Sx dont on avait besoin. Cela peut donc poser problème dans certaines applications. Page 16 sur 26

17 c) Multiplexage WDM ou multiplexage en longueur d onde Le multiplexage WDM (Wavelenght Division Multiplexing) ou multiplexage en longueur d onde met en ouvre l idée d utiliser différents lasers avec des longueurs d onde différentes dans une seule et même fibre. Cette idée vient de la contestation que plusieurs signaux lumineux envoyés dans une même fibre ne se «parasitent» pas entre eux si leurs longueurs d onde sont suffisamment éloignées. Il existe une norme «ITU-T G692» qui définit la plage de longueurs d ondes (couleurs) où la transmission est possible. L espacement normalisé étant de 1,6 ou 0,8 nm entre chaque longueur d onde. En effet, en dessous de 0,8 nm ou lorsque que plus de 16 longueurs d ondes différentes sont utilisées, on parle de technologie DWDM (Dense Wavelenght Division Multiplexing). Doc.III.c.1 Multiplexage WDM Longueurs d ondes Optical Networks Tutorial, Alcatel Une telle technique permet d atteindre des débits très hauts. De nos jours, les systèmes commercialisés aux entreprises comportent 4 à 80 canaux avec des débits pouvant atteindre 2,5 Gbit/s par canal, autant dire que le potentiel de transmission est énorme. En effet, en utilisant cette technique sur une seule fibre on peut ainsi, théoriquement, transmettre conversations téléphoniques simultanément. Des recherches sont actuellement en cours pour multiplier encore ce débit par canal. On peut trouver de nombreux avantages à cette méthode : avant tout l utilisation de longueurs d ondes différentes permet une transmission bidirectionnelle des informations, alors qu avec les autres technique de multiplexage le fait d utiliser la même longueur d onde dans les deux sens contraignait à l utilisation de deux fibres optiques : chacune transmettant les informations unidirectionnellement (voir doc.iii.c.2) λ1 λ1 λ3 λx λ2 λ4 Fibre Non multiplexée en longueur d onde Doc.III.c.2 Multiplexage WDM Transmission uni/birectionelle TeM, 2004 Fibre multiplexée en longueur d onde En outre les vitesses de transfert sont très élevées (dernièrement des scientifiques ont réussi a transmettre 10 térabit/s sur une seule fibre optique a l aide de 256 longueurs d ondes simultanées et différentes à 40 gigabit/s chacune. D un autre coté, il reste un inconvénient majeur : impossible avec cette technique de penser a transmettre des données sur des longues distances. Il faudrait des répéteurs très sophistiqués qui devraient reproduire chacune des nombreuses longueurs d onde transmises, ce qui représente tout d abord une véritable prouesse technologique mais aussi un coût très dissuasif. Page 17 sur 26

18 A ce problème du répéteur s ajoutent aussi des phénomènes physiques particuliers qui n ont pas lieu en présence d une seule onde monochromatique : l effet Raman qui augmente les écarts de puissance entre les canaux et créé donc une trop grande dispersion sur les longues distances, et le mélange des ondes toujours dû à cette dispersion qui augmente en fonction de la distance. L utilisation de fibres dopées Erbium permet néanmoins de minimiser ces phénomènes et d utiliser le multiplexage DWDM sur des distances allant de 50 à 100 km. d) Multiplexage Fréquentiel FDM ou multiplexage en fréquences Le Multiplexage fréquentiel est une technique qui, comme le multiplexage temporel, cherche à transmettre plusieurs signaux différents à l aide d une seule fibre et un unique signal. Cependant sa façon de procéder est totalement différente. Ici il peut s agir de signaux beaucoup plus rapides que ceux multiplexés dans le temps. On va en effet chercher avec cette technique à combiner à l aide d une fonction mathématique tous les signaux, convertir le signal obtenu en un signal numérique, le transmettre par la fibre optique, puis, du côté récepteur réaliser l opération inverse. Il apparaît ici une disparité majeure avec les autres techniques décrites précédemment : le traitement est entièrement analogique et nécessitera une conversion numérique en amont Nous ne nous attarderons pas plus sur cette technique car elle met en jeu des calculs mathématiques très complexes et pourrait à elle seule faire l objet d un dossier complet. e) Détection et correction des erreurs de transmission Le taux d erreur sur une fibre optique varie de à soit un pourcentage très faible de données corrompues. Il ne s agit donc pas d assurer la correction globale d un échange, mais uniquement de détecter les erreurs de transmission et le cas échéant les corriger (cette correction n est néanmoins pas systématique, certaines informations pouvant garder leur viabilité tout en étant erronées comme par exemple une transmission téléphonique ou une vidéo numérique). Pour réaliser ce contrôle, le matériel émetteur joint aux informations utiles des bits appelés bits de contrôle ou encore code de redondance qui vont permettre de vérifier l intégrité des informations. Le premier moyen utilisé est une opération assez simple, il s agit de la technique de la parité. Elle repose sur une convention fixée arbitrairement : tous les «x» bits (x étant généralement égal à 7 ou8) l émetteur va ajouter un bit qui n aura pas de rapport avec les données. Ce bit sera un «0» si le nombre de 1 dans l information précédente est pair et un «1» si le nombre de bits «1» dans l information précédente est impair. Ainsi, on conservera toujours un nombre pair de bits «1». Le récepteur lui n a plus qu à compter ces bits, si il calcule un nombre de bits au niveau logique 1 impair sur l intervalle x+1, alors l information sera erronée. Cette méthode est très efficace lorsqu il y a un nombre impair d erreurs, néanmoins, elle rend impossible la détection d erreurs si il y en a un nombre pair. Le tableau suivant résume cela. Doc.III.e.1 Erreurs Parité TeM, 2004 x Chaîne envoyée Chaine envoyée Chaîne reçue Erreur détectée? avec bit de contrôle Oui Oui Non Non On peut aussi faire l utilisation du code de Hamming qui permet de retrouver le code original. Il part du principe qu une erreur transforme un bit en son opposé caractère initial Caractère émis Caractères erronés possibles Doc.III.e.2 Erreurs Code de Hamming TeM, 2004 Page 18 sur 26

19 Comme on peut l observer à chaque doublet de bits 00, 01, 10, 11 correspondent quatre autres bits. Si il y a une erreur, elle est facilement décelable puisque la suite de bits reste caractéristique du caractère initial. Toutefois, cette fois encore, ce code n est valable que s il y a une seule erreur dans la transmission des cinq bits. Il a donc été créé une dernière méthode afin de palier à ces problèmes : l utilisation d un code appelé code CRC (Code à Redondance Cylindrique) pour cela on considère la suite de bits transmis u 1, u 2, u 3, u 4. U n comme un polynôme donc l expression est la suivante : f(x) = u 1 x n-1 + u 2 x n-2 + u 3 x n-3 + U n Autrement dit, on a f(x) égal à la somme des produits des bits par x exposant «position du bit» (le premier bit est à la nième place et le dernier bit est le bit «0»). Ainsi si nous prenons l exemple de le série de valeurs g suivante : {1;1;0;1;1;1;0;0}. Place (z) U z u z x z X^2 X^3 X^4 0 X^6 X^7 Alors f 2 (x) = x 7 + x 6 + x 4 + x 3 + x 2 L émetteur possède aussi un polynôme particulier en mémoire (qui doit être le même au niveau récepteur) Appelons ce polynôme S(x) et donnons lui la valeur S(x) = x On forme ensuite la fonction f (x). Cette fonction représente en fait notre message f(x) à transmettre auquel on ajoute un nombre n de bits 0, correspondant à la place qu occupera le CRC. Ce nombre n est le degré du polynôme S(x). Au final cela revient à : f (x) = f(x). x n+1 Dans notre exemple on a donc f (1) = (le polynôme S étant de degré 3, on ajoute 4 bit nuls dont il occupera ensuite la place). On peut aussi traduire cela par un polynôme f (x) = x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 6 On calcule ensuite la somme de contrôle S c (x) de f(x) qui sera le reste de la division de f (x) par S(x). Le reste étant égal au produit Quotient * Diviseur soustrait du dividende, si on appelle Q(x) le quotient de la division, alors S c (x) s exprime ainsi : S c (x) = f (x) - S(x) * Q 1 (x) On ajoute ensuite l information à f(x). Notre signal émis E(x) est donc finalement : E(x) = f(x). x n + S c (x) Une fois l information arrivée au récepteur, celui-ci réalise une opération de division à partir de E(x), soit : le reste V(x) de cette opération validera ou non la transmission. (Avec Q 2 quotient de la division de E(x) par S(x)) V(x) = E(x) - S(x) * Q 2 (x) A l issue de cette opération, si on a V(x) = 0, alors la transmission est déclarée correcte, sinon il y a eu une erreur dans la transmission des données. Cette méthode est très fiable puisqu elle permet de détecter l erreur dans 99% des cas. Seul bémol : Page 19 sur 26

20 une erreur dans la transmission du code CRC et non celle de la chaîne utile entraîne aussi une détection d erreur alors que seul le CRC est endommagé. Page 20 sur 26

21 IV. La fibre face aux autres supports Dans cette partie, nous allons étudier la fibre optique en la comparant à ses concurrents sur le marché. Pour cela, nous commencerons par rappeler les atouts et les inconvénients de cette technologie puis nous nous attarderons sur les solutions alternatives pour finir par un tableau récapitulatif. a) Les atouts de la fibre optique : Son principal atout réside dans un mode de fonctionnement numérique. En effet, la fibre optique est très supérieure au câble en cuivre dans la transmission de masses considérables d informations. Elle est notamment performante vis-à-vis de 2 grandeurs fondamentales qui définissent entièrement ses capacités : - Le coefficient d atténuation, qui défini la distance de transmission des informations (Il dépend de la loi de Rayleigh et est calculé à partir de 1/λ 4, λ étant la longueur d onde de transmission). La limite théorique, atteinte en laboratoire, est de 0.16 db/km. Exprimée en décibels/km, elle représente un rapport entre la puissance émise et la puissance reçue. Cependant des progrès restent à faire concernant la fiabilité. - La bande passante, qui défini le débit d informations échangées. Dès que l on dépasse quelques mbits/s et en l absence de multiplexage performant, les transmissions ne peuvent se faire que par fibre optique. Elle possède aussi d autres atouts importants : - La fibre optique est quasiment insensible à tous les effets parasites (qui étaient causés au départ par les matériaux utilisés, ceux-ci étaient en effet en silice ou métalliques). Le câblage à fibres optiques marque la fin des perturbations et des problèmes de compatibilité électromagnétique. Elle résiste à la diaphonie (interférence parasite entre 2 émetteurs) et au brouillage radioélectrique et électrique. - Elle est légère, peu encombrante, souvent plus robuste (en traction) et son coût de fabrication est de moins en moins élevé - Elle est très efficace à l échelle locale. - La distance de transmission est assez élevée et pour de longues distances, on utilise des répéteurs. La distance de transmission maximale à la station de commutation pour le câblage en cuivre est de 90 mètres, alors que celle des fibres optiques les plus utilisées, peut atteindre jusqu'à 550 mètres, tout en répondant aux exigences techniques nécessaires pour des vitesses de transmission de l'ordre du gigabit/s. - Sa durée de vie est aussi un de ses atouts. En effet, elle est estimée à 20 ans alors que généralement un câble de cuivre à une durée de vie limitée et doit être changé lors d une amélioration du réseau. De plus, elle n est pas affectée par le phénomène de corrosion. b) Ses inconvénients - La fibre optique nécessite des régénérateurs pour les longues distances (tous les 100km en général). - Certaines fibres sont sensibles a la température ambiante (par exemple pas plus de 85 C pour les fibres en plastique). Page 21 sur 26

22 - Sa technologie a évolué très lentement. Cette évolution est due a l architecture des composants de base (côté électronique) qui ont tous été modifiés au cours du temps (l avancée la plus bénéfique fut l utilisation des diodes laser). De surcroît, cette évolution eu un prix non négligeable. Le coût étant le plus gros défaut de ce matériau : si la fibre en elle-même ne nécessite que peu d investissements, les terminaux d émission et de réception sont quant à eux très onéreux. - On rencontre certaines difficultés pour détecter un défaut dans les fibres (épissures, cisaillement). - Le prix du capteur à fibre optique est (pour l'instant) plus élevé que celui d'un capteur traditionnel, sans pour autant être plus performant dans les applications usuelles. - La technologie n'a pas bénéficié des investissements réalisés par l'industrie des communications. - Même si son atténuation est faible, elle peut poser problème : l atténuation correspond à la perte de force du signal lumineux. Les ondes voyageant sous forme de flux dans une fibre et ne sont pas toutes alignées et parallèles ; elles ont une même direction générale, mais n'ont pas des parcours identiques. Par conséquent chaque onde ne se reflète pas au même moment et il peut arriver qu à la suite de plis ou de virages dans le câble, une certaine quantité d'ondes lumineuses, ayant dépassé l'angle critique, soit perdue. Au final, la force du signal final est moindre que celle du signal initial, par pertes d ondes. - Certaines autres ondes ne seront pas parallèles et vont «rebondir» contre les parois. Si une onde voyage en zigzag, rebondissant d'un coté à l'autre du noyau, elle parcourt beaucoup plus de distance qu'une onde voyageant en ligne droite. Réalisant un trajet plus long qu une impulsion rectiligne, elle peut prendre du retard. C est alors qu apparaît le phénomène d'allongement du signal, (aussi appelé, phénomène de dispersion dans le temps). La solution de ce problème est de réduire le diamètre du noyau. Plus celui est petit, moins les ondes voyageant en zigzag prennent de retard sur les autres. c) Différentes fibres optiques Il existe différents 3 types de fibre, qui possèdent des caractères différents : les fibres multimode, et la fibre monomode. Comme nous l avons expliqué précédemment, cette dernière semble aujourd hui être la meilleure alternative. Cependant, une nouvelle fibre est à l étude, la fibre optique creuse. Ce projet à pour objectif d augmenter les capacités des fibres optiques en termes de bande passante et de portée par diminutions des pertes. Cette fibre sera constituée d une zone creuse, contenant de l air, un autre gaz où encore du vide, à travers lequel la lumière se propagera, piégée dans un tube constitué de miroirs parfaits. L air a un indice de réfraction meilleur que le verre et donc les pertes seront infimes par rapport à une fibre classique. La propriété du miroir permet de se passer du phénomène de réflexions multiples totales dans un guide de verre et donc des impuretés de ce dernier. Ceci devrait permettre de se passer d amplificateur et d obtenir une bande passante mille fois plus élevée pour des coûts similaires. Page 22 sur 26

23 d) Bilan : Face à face avec les autres technologies A) Le fil de cuivre : Le réseau cuivré est le plus utilisé en Europe et c est ici que réside sa force, c est une référence pour comparer nos deux supports de transmission. Le fil de cuivre est un matériau conducteur. Et comme la plupart des conducteurs il est très sensible aux interférences électromagnétiques (qui jouent un rôle très important lors du véhiculage de l information car ces interférences altèrent la qualité des informations). De plus, le signal passant est très fortement atténué ; en effet l atténuation a une valeur proche de 20 db/km. Cela implique l utilisation de répéteurs très proches les uns des autres, la distance entre deux répéteurs étant généralement de l ordre de grandeur d un kilomètre. En outre, le réseau nécessite un entretien régulier et rapproché, le principal problème étant le phénomène de corrosion. De plus, ce dernier est implanté en forme d étoile, ce qui implique lors d une panne, une répercution sur la totalité de ce réseau. A l opposé le réseau de fibres optiques est sous forme de boucles successives. Par conséquent, toutes les informations sont décentralisées. Alors, qu'il suffit d une coupure d'un câble pour que toute une partie du réseau cuivré soit hors service, le réseau optique reste opérationnel. La forme de réseau, est ainsi désuète face aux nouvelles technologies. Enfin sa bande passante ne permet pas d atteindre des vitesses telles que la fibre. B) Le réseau hertzien : Le faisceau hertzien possède une bande passante supérieure à celle du fil de cuivre (quelques dizaines de Mbits/s). Son principal défaut est son système d exploitation qui est très onéreux et difficile à mettre en place. En effet, l infrastructure est très particulière : le réseau hertzien nécessite un relais tous les cinquante kilomètres. Mais le plus grand inconvénient réside dans le fait que ces relais doivent rester visibles d un point à un autre (ce qui peut être ennuyeux selon le relief ou l architecture des lieux). De plus, les relais sont sensibles aux conditions météorologiques (pluie, vent) compromettant souvent la qualité de la transmission. Ils ne résistent pas à certaines conditions difficiles et la transmission est parfois parasitée. Ces inconvénients et la proximité des relais rendent le réseau hertzien onéreux. Il en résulte un rapport qualité prix très peu avantageux. Ce réseau est souvent utilisé pour la transmission téléphonique ou dans les réseaux de transmissions privés à petites échelles, ou encore pour diffuser la radio. C) Les satellites géostationnaires : C est une technologie récente, qui consiste à lancer un satellite en orbite autour de la Terre afin de mieux quadriller les différentes zones de circulation des informations. Sa bande passante est assez élevée (une dizaine de Mbits/s) et c est le système qui nécessite le moins de répéteurs. Une donnée peut parcourir plus d une dizaine de milliers de kilomètres sans répéteurs. Les satellites géostationnaires ont une très bonne qualité, ils ne subissent que peu de pertes et ne génèrent pas de bruit sur le signal. C est la technologie la plus coûteuse, tant concernant la fabrication que la mise ne service (elle nécessite un lancement à l aide d une fusée ce qui ne peut être effectué qu avec des moyens conséquents). Cependant, c est le système le plus fiable et sa pénétration est très importante (La quasi-totalité de la surface terrestre pourra communiquer par leur biais, uns fois le réseau achevé). Son coût est le plus grand frein à son développement. Page 23 sur 26

24 Conclusion Systeme Fil de Cuivre Réseau Hertzien Satellite Géostationnaire Fibre optique Débit Quelques Kbits/s Voire Mbit/s a l aide du multiplexage. Dizaine de Mbit/s Centaine de Mbits/s Plusieurs Gigabits/s Distance max. sans répéteur Quelques kms 50 kms environ Dizaine de milliers de kms 150 à 200 kms Applications - Il est utilisé partout et est présent dans dans toutes les infrastructures basiques -Radiocommunications -Télévision - réseaux des téléphones mobiles - GPS - Interconnexion de réseaux - Transmission dans des zones très magnétiques - Télédistribution - Vidéocommunication Effets indésirables Subit l effet Joule Perturbé par la météo et le relief Faibles mais parasites Faibles Comme on peut le constater dans ce tableau, la fibre optique prend, le pas sur la ligne de cuivre et sur les autres technologies ; avant tout par les avancées scientifiques mais aussi grâce à la structure de son réseau. C est aussi la seule à ne subir aucun effet parasite, et son rapport qualité prix peut-être un élément décisif. Par comparaison, on remarque que les satellites pourraient rivaliser si leur coût venait à devenir moindre. Cependant, la fibre optique est la seule, pour le moment, à posséder de telles caractéristiques physiques et électroniques. C est la technologie dominante du marché. Cependant le réseau cuivré étant déjà largement implanté, la pose d'un réseau composé uniquement de fibre optique est très difficile. Néanmoins, il a été émis l idée d utiliser les bases mises en place pour le réseau cuivré afin d installer des fibres. Aujourd hui, on utilise principalement la fibre optique dans les télécommunications. Son développement est très rapide et le réseau s étend à grande échelle. En effet, elle touche de nouveaux secteurs (comme l industrie) et, grâce a des innovations récentes, son évolution continue, les limites n étant pas encore atteintes. Même si son utilisation apparaît peu utile pour les particuliers, elle ressort comme la solution par excellence pour les transmissions longue distance à haute vitesse, ou les réseaux locaux nécessitant des taux de transmission très rapides. Page 24 sur 26